談到對表面液體的控制，最容易想到的方法就是構建由固態(tài)材料組成的管道以引導液體的流動，但存在諸如管道制作工藝復雜、管壁與液體之間存在摩擦從而可能導致流速變慢甚至堵塞等缺陷。相比之下，使用無固體管壁的表面來控制液體的流動則可以有效的避免上述問題，因而對微流控系統(tǒng)、防污涂層材料、油水分離等研究方向具有重要意義。為了實現(xiàn)這一點，目前報道的策略有用全氟材料對表面以特定的圖案加以修飾，這樣所得的超疏表面可以控制低表面張力液體在表面以預設的圖案流動，以及利用與水不相溶的液體構建可以讓水分子通過的通道。但這些體系仍有不足，因此對表面上液體流動的控制仍然有提升的空間。

對此，來自德國卡爾斯魯厄理工學院的Pavel A. Levkin團隊報道了一種新的策略，他們發(fā)現(xiàn)在小尺度下，被限域在親水表面的水具有足夠的機械穩(wěn)定性，從而可以作為“液態(tài)墻壁”而儲存其他有機液體。利用該策略，作者構建了不同容積和形狀的“水容器”，并且證明了這些水容器具有可形變性、可自愈性等固體容器所不具備的特征（圖1A）。最后，利用水容器的易除性，作者以水容器作為模板，簡便的合成了具有相應形狀的高分子材料。

體系設計

作者首先分別將對環(huán)境較為友好的2-巰基乙醇和1-十二硫醇作為親水和疏水基團修飾在表面，從而使得水分子可以在表面被限域在2-巰基乙醇修飾的環(huán)形范圍內(nèi)。在向環(huán)形所包圍的疏水表面上加入低表面張力液體（LSTL）后，由水構成的環(huán)狀形貌得到了保持，而LSTL則在環(huán)形內(nèi)部鋪展開來直至環(huán)形邊界（圖1B），從而實現(xiàn)了在表面用水對LSTL的容納。通過改變表面親疏水基團的分布，作者成功構筑了一系列不同形狀，內(nèi)部寬度最小可為1mm的液相容器（圖1C），而這些容器均能實現(xiàn)對LSTL的容納。為了研究表面上的LSTL與水在容納過程發(fā)生后的分布情況，作者以1-壬醇為例，通過Raman光譜對水的羥基振動以及1-壬醇中的C-H鍵振動進行了表征（圖1D）。結(jié)果顯示，水相中心的羥基振動強度強于邊緣，這可能是水環(huán)中心高于邊緣所致；而在水相幾乎不存在C-H鍵的振動則證明了1-壬醇與水有明確的邊界。作者進一步對可以被容納的LSTL進行了篩查，發(fā)現(xiàn)常見的非極性溶劑，如甲苯、二氯甲烷、正己烷以及具有長脂肪鏈的一級醇類均可被水環(huán)所容納。

性質(zhì)表征

與固態(tài)容器相比，水容器具有一系列獨特的性質(zhì)。首先，由于液體的流動性，水容器可以通過形變而容納比初始包圍的體積更多的LSTL。以水環(huán)為例，作者發(fā)現(xiàn)50mL的1-壬醇即可填滿水環(huán)內(nèi)部的面積，但水環(huán)可以最終容納200 mL的1-壬醇（圖2A），而此時1-壬醇的最終液面高度在毛細作用下可以高于水環(huán)的高度。其次，液體的流動性賦予了水容器自愈的能力。作者用刀切容納有1-壬醇的水環(huán)，發(fā)現(xiàn)除了少量1-壬醇會在刀切的過程中隨著刀的移動軌跡外逸之外，水環(huán)的容納能力得到了保持（圖2B）。最后，液體的萃取能力為水容器提供了容納之外的功能。作者將含有油紅O和甲基藍的1-癸醇加入水環(huán)中，發(fā)現(xiàn)水溶性更好的甲基藍隨著時間的推移會逐漸轉(zhuǎn)移至水環(huán)之中（圖2C），從而證實了水容器的萃取性質(zhì)，為進一步在表面構建具有物質(zhì)檢測能力的微流控設備提供了便利。最后，作者發(fā)現(xiàn)雖然水容器會在外界的震動或者傾斜的情況下發(fā)生流動和形狀改變，但當系統(tǒng)恢復靜止時容器便可恢復至最初的結(jié)構（圖2D），這一現(xiàn)象證明了水容器對外界溫和的機械擾動具有良好的抗性，具有實際應用的價值。

容納機理研究

為了更好的理解水容器與容納其中的LSTL的相互作用，作者分別將正十六烷和1-壬醇作為被容納溶劑，對最終的水-有機溶劑體系的形貌進行了研究。作者發(fā)現(xiàn)，在三角形的水環(huán)內(nèi)，正十六烷所呈的三角形角度更為銳利，而1-壬醇所呈的三角形則為弧狀（圖3A）。此外，同體積的正十六烷和1-壬醇在相同的水容器內(nèi)的鋪展程度也有所不同，二者與水容器所占面積比分別為47:53和37:63。這些現(xiàn)象證明了LSTL的化學組成對水-LSTL界面的形狀有重要影響。作者用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）對水-有機溶劑界面在加入兩種有機溶劑前后的形貌進行了表征和對比，發(fā)現(xiàn)部分正十六烷會在與水的邊界處鋪展至水面之上，而1-壬醇則剛好相反，與水的界面處呈向內(nèi)傾斜的狀態(tài)（圖3B），從而導致了二者在鋪展面積上的區(qū)別。作者進一步通過計算模擬對實驗結(jié)果加以解釋，提出有機溶劑、水、空氣三者之間的界面張力大小是決定有機溶劑能否被水容器容納，以及有機溶劑是否會在界面處鋪展至水面之上的主要因素。

表面模板聚合

最后，作者對水容器的潛在應用進行了探索。通過將單體容納在水容器之內(nèi)，作者成功通過聚合反應獲得了具有特定形狀的高分子膜。而合成之后作為模板的水容器可以簡單的移除和恢復，從而為界面上高分子材料的“綠色”合成提供了新的思路（圖4）。

小結(jié)

總之，作者成功用水在界面上構建了可容納不同有機溶劑的液態(tài)容器，而液態(tài)容器與固態(tài)容器相比所具有的一系列獨特性質(zhì)使得這一體系為進一步設計具有界面萃取、相轉(zhuǎn)移催化、界面反應等功能的微流控設備提供了便利，并為減少有機溶劑儲存所產(chǎn)生的固體廢料，從而改善環(huán)境問題提供可能。文章以“Liquid Wells as Self-Healing, Functional Analogues to Solid Vessels”為題發(fā)表于Advanced Materials。

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